Experimente mit Neutronen

Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene, Teil B Experimente mit Neutronen Versuch 10 Betreuer Andi Cucoanes Gruppe 2 W.Bender (walter.bender@rwth-aachen.de), J.Luckas (c.hihiro@gmx.de)

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Ziel und Zweck des Versuchs 3 2 Bestimmung der Halbwertszeiten von 108 Ag und 110 Ag 4 2.1 Versuchsaufbau................................. 4 2.2 Versuchsdurchführung............................. 5 2.3 Veruchsauswertung............................... 5 3 Bestimmung der Bindungsenergie des Deuterons 7 3.1 Versuchsaufbau................................. 7 3.2 Vesuchsdurchführung.............................. 7 3.3 Versuchsauswertung.............................. 8 4 Radialer Neutronenuss im Wasserbecken 11 4.1 Versuchsaufbau................................. 11 4.2 Versuchsdurchführung............................. 11 4.3 Versuchsauswertung.............................. 11 5 Bestimmung des Fermialters τ 15 5.1 Bestimmung des Fermialters τ aus dem Maximum der Verteilungsfunktion f(r)........................................ 15 5.2 Bestimmung des Fermialters τ aus dem mittleren quadratischen Abstand r 2 B........................................ 15 5.3 Bestimmung des Fermialters τ mittels linearer Regression......... 16 6 Fazit 17 Gruppe 2-2 - Versuch 10

1 Ziel und Zweck des Versuchs 1 ZIEL UND ZWECK DES VERSUCHS Dieser Versuch gliedert sich in drei Hauptteile. Mit der Aktivierungsmethode werden im ersten Versuchsteil die Halbwertszeiten der instabilen Isotope 108 Ag und 110 Ag bestimmt. Im zweiten Teil wird die Bindungenergie des Deuterons experimentell vermessen. Die räumliche Verteilung des Neutronenusses im Abstand r von einer punktförmigen Quelle wird im letzten Versuchsteil untersucht. Gruppe 2-3 - Versuch 10

2 BESTIMMUNG DER HALBWERTSZEITEN VON 2 Bestimmung der Halbwertszeiten von 108 Ag 108 AG und UND 110 110 AG Ag In diesem Versuchsteil sollen die Halbwertszeiten der instabilen Isotope 108 Ag und 110 Ag gemessen werden. 2.1 Versuchsaufbau Im Versuchsraum be ndet sich in einem Wassertank die Neutronenquelle, siehe Abb.2.1. Dieser Tank ist zum Schutz der Person mit Blei abgeschirmt. Neben diesem Becken be ndet sich zur Präparation der Proben ein Abzug. Der Bereich unmittelbar um den Wassertank ( 60cm ) ist als Kontrollbereich eingeordnet. Auÿerhalb dieses Bereichs be ndet sich der Messplatz. Zur Messung der Aktivität wird ein Silberzylinder über ein Rohr nahe an die wassermoderierte Neutronenquelle gebracht. Dort verbleibt sie eine Stunde. Silber besteht aus den Isotopen 107 Ag und 109 Ag, welche sich unter Beschuss mit Neutronen in die gewünschten Isotope 108 Ag und 110 Ag umwandeln. Die Aktivität der Silberprobe wird mit einem Geiger-Müller-Zählrohr gemessen. Dazu kann die Probe in einen Probenhalter gesetzt werden, in welchen das Zählrohr eingeführt werden kann. Seine Betriebsspannung beträgt 450 V. Die vom Geigerzähler registrierten Pulse können gleichzetig mit einem Oszilloskop beobachtet werden, während das MKA die Messungen aufnimmt. Das MKA ist über eine Schnittstelle mit einem PC verbunden. Abbildung 2.1: Wassertank Gruppe 2 Abbildung 2.2: Arbeitsplatz -4- Versuch 10

2 BESTIMMUNG DER HALBWERTSZEITEN VON 108 AG UND 110 AG 2.2 Versuchsdurchführung Zunächst muss zur Bestimmung der Totzeitkorrektur die Totzeit T d des Geiger-Müller- Zählrohrs bestimmt werden. Dazu werden die Pulse auf dem Oszilloskop visualisiert. Die Zeit, ab wann erneut ein Puls auf dem Oszolloskop sichtbar ist, gibt die Totzeit an. Die Totzeit T d wurde demnach zu T d = 0, 25ms bestimmt. Das MKA wird im PHA-Modus betrieben. Bevor die eigentliche Messung begonnen werden kann, muss eine Leermessung durchgeführt werden. Dieses Rauschen wird später von den Messdaten abgezogen. Da man Halbwertszeiten von t 1/2 = 24, 6s für 110 Ag bzw. t 1/2 = 142.2s für 108 Ag erwartet, muss die aktivierte Probe nun möglichst schnell in den Probenhalter geführt und die Messung gestartet werden. Die erhaltene Messwerte können über einen PC ausgelesen werden. 2.3 Veruchsauswertung Von den Messdaten wird zuerst die Nullmessung abgezogen. Auf die gemessenen Zählrate wird eine Poissonverteilung angenommen, d.h. auf einen Eintrag der Höhe n wird ein Fehler von n angenommen. Dann werden die gemessenen Zählraten auf Totzeit korregiert. Zur weiteren Auswertung werden nun die logarithmisierten Zählraten gegen die Zeit aufgetragen. Nach dem Zerfallsgesetz Gl. 1 ergibt sich die Halbwertszeit t 1/2 gemäÿ Gl.2 aus der Steigung λ der so erhaltenen Geraden. N = N 0 exp( λt) (1) t 1/2 = ln2 λ (2) Abbildung 2.3: Lineare Regression zur Bestimmung der Halbwertszeit 110 Ag Abbildung 2.4: Lineare Regression zur Bestimmung der Halbwertszeit 108 Ag Gruppe 2-5 - Versuch 10

2 BESTIMMUNG DER HALBWERTSZEITEN VON 108 AG UND 110 AG In den Abb.2.3 und 2.4 sind nun die linearen Regressionen zur Bestimmung der Halbwertszeiten gezeigt. Das χ 2 / Freiheitsgrad gibt in beiden Fällen an, dass der Fehler zur Anpassung vernünftig eingeschätzt ist. Nach Gl.2 ergeben sich die Halbwertszeiten der gesuchten Isotope 110 Ag und 108 Ag zu: t 1/2 ( 110 Ag) = 19, 8s ± 0, 66s t 1/2 ( 108 Ag) = 103, 9s ± 17, 0s Der Fehler wird mittels Fehlerfortpanzung bestimmt. Die Halbwertszeit des 110 Ag weicht um 19% vom Literaturwert ab. Dies entspricht 7 Standardabweichungen. Die Halbwertszeit des 108 Ag weicht um 27% vom Literaturwert ab. Dies entspricht 2,25 Standardabweichungen. Diese groÿen Abweichungen der experimentellen Werte zu den erwarteten Werten erklären sich durch einen unberücksichtigten und nur schwer einschätzbaren systematischen Fehler, der durch die verwendeten Apparaturen zu stande kommt. Mit diesem Versuchsaufbau lässt sich jedoch die theoretisch vorhergesagte Gröÿenordnung bestätigen. Gruppe 2-6 - Versuch 10

3 BESTIMMUNG DER BINDUNGSENERGIE DES DEUTERONS 3 Bestimmung der Bindungsenergie des Deuterons Die Bindungsenergie E B ergibt sich aus der Rekombinationsstrahlung der Kernreaktion: 1 H + n 2 H + E γ (3) = E γ = E B (4) Diese γ-strahlung wird nun mit dem Proportionalitätsrohr vermessen. 3.1 Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau ist identisch zum vorherigen Versuchsteil, nur dass das Geiger- Müllerzählrohr gegen ein Proportionalitätsrohr ausgetauscht ist. 3.2 Vesuchsdurchführung Das Proportionalitätsrohr gibt die Energie der Teilchen durch die Höhe des ausgegebenen Spannungspulses wieder. Je nach Spannungshöhe des Pulses wird dieser vom MKA einer Kanalnummer zugeteilt. Um den Bereich des MKA bestmöglich auszunutzen, soll die Bindungsenergie des Deuterons mittig im Sichtfenster liegen. Dies kann durch Variation der Verstärkung (Gain) erreicht werden. Die geeignete Einstellung ndet man unter Verwendung der Energie E γ = 4, 43MeV, welche sich aus dem Übergang von 12 C nach 12 C erklärt. Optimal empnden wir eine achtfache Signalverstärkung. Nach Wahl des Verstärkungsfaktor kann nun das im MCA-Modus betriebene MKA kalibriert werden. Hierzu benutzt man die Strahlungcharakteristik einer 22 Na-Probe. Die aufgenommene Spektralaufnahme ist in Abb. 3.1 zu sehen. Zusätzlich wird eine Leermessung durchgeführt. Diese ist in Abb. 3.2 zu sehen. Die Kanalnummern können jetzt anhand der bekannten Lage der Photopeaks und der Comptonkante den zugehörigen Energien zugeordnet werden. Zur Hauptmessung muss das Proportionalitätsrohr nahe über das Wasserbecken gebracht gebracht werden. Es wird nun das Energiespektrum vom MKA über 24 Minuten aufgezeichnet. Gruppe 2-7 - Versuch 10

3 BESTIMMUNG DER BINDUNGSENERGIE DES DEUTERONS 3.3 Versuchsauswertung In Abb. 3.1 ist das aufgenommene Spektrum der 22 Na-Probe gezeigt. Abbildung 3.1: Energiespektrum der Eichprobe 22 Na Von diesem Spektrum wird die in Abb. 3.2 gezeigte Leermessung abgezogen. Abbildung 3.2: Aufgenommene Leermesung Gruppe 2-8 - Versuch 10

3 BESTIMMUNG DER BINDUNGSENERGIE DES DEUTERONS Die Lage des gewünschten Photopeaks wird nun mittels eines Gauÿts bestimmt. Die so erhaltenen Kanalnummern werden den bekannten Energien, siehe Tabelle 3.1, zugeordnet. Kanal Fehler Energie [MeV] Na 1 381,5 15,5 0,511 Na 2 925,4 27,5 1,275 Compton Na 1 285,0 25,0 0,341 Compton Na 2 755,0 25,0 1,062 Tabelle 3.1: Eichtabelle Trägt man Energie gegen Kanalnummer in ein Diagramm auf, erwartet man einen linearen Zusammenhang dieser beiden Gröÿen. Um diesen Zusammenhang quantitativ zu bestimmen, wird eine lineare Anpassung auf die Messwerte durchgeführt. Hierzu werden die Fehler aus den Gauÿts der Peaks genutzt. Der Fehler zur Bestimmung der Comptonkanten wurde zu 25 Kanälen eingeschätzt. Der Fit ist in der unteren Abb. 5.3 dargestellt. Abbildung 3.3: Lineare Regression zur Bestimung der Eichgerade Das χ 2 /Freiheitsgrad beträgt 0,44 und weist darauf hin, dass die Fehler richtig eingeschätzt sind. Demnach gilt zur Umrechnung von Kanalnummer in Energie Gl. 5. E = (1455 Kanalnumer 52500)eV (5) Gruppe 2-9 - Versuch 10

3 BESTIMMUNG DER BINDUNGSENERGIE DES DEUTERONS Nach bekannter Umrechnung von Kanalnummer nach Energie, kann nun die Bindungsenergie des Deuterons bestimmt werden. In der unteren Abb. 3.4 ist das über dem Wasserbecken aufgenommene Spektrum gezeigt. Dabei wurde die Kanalnummern nach der Eichungsformel 5 in Energien umgerechnet und dann die Häugkeit gegen die Energie aufgetragen. Abbildung 3.4: Das über dem Wassertank aufgenommene Energiespektrum Auf den Deuteron-Peak wird nun ein Gauÿt angewendet. Die Bindungsenergie ergibt sich demnach zu (2, 24 ± 0, 05)MeV. Der Messwert liegt innerhalb zwei Standardabweichungen zum Theoriewert. Im Rahmen der Messgenauigkeit können wie die theoretische Bindungsenergie von 2,23 MeV experimentell betätigen. Gruppe 2-10 - Versuch 10

4 RADIALER NEUTRONENFLUSS IM WASSERBECKEN 4 Radialer Neutronenuss im Wasserbecken In diesem Versuchsteil soll die radiale Abhängigkeit des Neutronenusses für thermische Neutronen, sowie für schnelle Neutronen mit einer Energie von 1,4 ev untersucht werden. 4.1 Versuchsaufbau Zur Bestimmung des Neutronenusses dienen Indiumplättchen, die in bestimmten Abständen zur Neutronenquelle platziert werden können. Zur genauen Abstandsmessungen sind hierzu Vorhalterichtungen für die Indiumplätchen am Boden des Wasertanks angebracht, siehe Abb. 2.1. Um zwischen schnelle und langsamen Neutronen unterscheiden zu können werden einige Indiumplättchen beidseitig mit Cadmium abgeschirmt. Cadmium hat einen hohen Wirkungsquerschnitt für Neutronen der Energie E 0, 5eV, sodass die abgeschirmten Indiumplättchen nur von den schnellen 1,4 ev-neutronen erreicht wird. Die Sättigungsaktivität A satt ist proportional zur Bremsdichte q(r, τ) an der Stelle r. Zur Befestigung der Indiumplättchen stehen groÿe und kleine Probenhalter zur Verfügung. Bei der Aufstellung in das Wasserbecken muss darauf geachtet werden, dass keines der Indiumplättchen von einem anderen abgeschirmt wird. Die Indiumplättchen verweilen über Nacht im Wasserbecken. Zur Messung Der Aktivität wird ein Geigermüllerzählrohr verwendet. Das Geigermüllerzählrohr ist an einen Counter angeschlossen. Dieser nimmt die eintreenden Pulse über eine Minute lang auf. 4.2 Versuchsdurchführung Da ein anderes Geiger-Müllerzählrohr, als im vorangegangenen Versuch benutzt wird, muss erneut die Totzeit T D dieses Detektors mit dem Oszilloskop abgeschätzt werden. Nach im Versuchsteil 2.2 erläuterten Verfahren wird die Totzeit T D zu T D = 0, 15ms bestimmt. Wird Indium mittels Neutronen aktiviert bilden sich 116 In welches mit einer Halbwertszeitvon 14,1 s bzw 54,29 min zerfällt. Es soll nur die langlebige Komponente zur Messung dienen. Aus diesem Grund wartet man 2 Minuten lang nachdem das Indiumplättchen aus dem Wasserbad entfernt wurden, bevor die Messung begonnen wird. Für jede Minute werden die Counts für jedes Indiumplättchen notiert. Zusätzlich wird auf gleiche Weise eine Leermessung aufgenommen. Dieser Hintergrund wird von den Messdaten abgezogen. Alle gemessenen Zählraten werden um die Totzeit korregiert. 4.3 Versuchsauswertung Man erhält also zu jedem Quelle-Probe-Abstand fünf Zählraten m(t) zu verschiedenen Zeiten t. An diese Messdate wird nun folgende Funktion angettet: m(t, t ) = A satt (1 e λt ) e λt e µ Cdd Cd Ω ɛ ρ (6) A satt bezeichnet die Sättigungsaktivität. Bei erreichen der Sättigungsaktivität A satt zerfallen pro Sekunde gleichviele instabile Kerne, wie durch den Aktivierungsprozess entstehen. Die aktivierten instabilen Isotope haben die Zerfallskonstannte λ. Die Zeit t Gruppe 2-11 - Versuch 10

4 RADIALER NEUTRONENFLUSS IM WASSERBECKEN gibt an, wie lange der Aktivierungsprozess andauerte. Da unsere Proben über Nacht im Wassertank gelagert wurden beträgt unser t ca. 22 Stunden und der Faktor (1 e λt ) kann zu eins gesetzt werden. Der Term e µ Cdd Cd = 1 1,06 gibt die Schwächung der Zählrate durch die Abschirmung der Cadmiumplättchen der Dicke d Cd und Absorptionskoezient µ Cd an. Raumwinkel Ω, Empndlichkeit ɛ des Geiger-Müller-Zählrohrs und der Selbstabsorptionsfaktor ρ spielen zur Auswertung keine wichtige Rolle, da nur proportionale Abhängigkeiten zur Auswertung benötigt werden. Aus diesem Grund kann der Faktor Ω ɛ ρ = 1 gesetzt werden. Aus dem durchgeführten Fit entnimmt man für jeden Abstand r die zugehörige Sättigungsaktivität A satt. Dies wird nun jeweils für thermische und Neutronen und Neutronen der Energie 1,4 ev durchgeführt. Dabei bezeichnet im folgenden A satt die Aktivitäten der abgeschirmten Indiumproben und A satt die Aktivitäten der nicht abgeschirmten Proben. Die auf diese Weise erhaltenen Daten sind in Tabelle 4.1 aufgelistet. Abstand in cm A satt ohne Cd σ Asatt ohne Cd A satt mit Cd σ A satt mit Cd 7 12587,1 53,61 3293,51 26,5 10 9183,38 51,5 1597,19 15,69 11 9297,66 47,5 1267,96 14,84 13 6675,83 42,34 594,37 11,91 14 5411,72 37,39 483,34 11,99 15 4421,65 33,28 501,86 10,96 16 4268,38 32,61 416,56 9,16 18 2860,45 26,1 217,31 6,25 21 1804,82 20,39 135,12 5,93 Tabelle 4.1: Messwerte aus Funktionsanpassung zu A satt Gruppe 2-12 - Versuch 10

4 RADIALER NEUTRONENFLUSS IM WASSERBECKEN Die Sättigungsaktivität ist proportional zur Bremsdichte q(r,t). Die Bremsdichte q(r,t) gibt die mittlere Anzahl der Neutronen pro Volumen- und Zeiteinheit, die den mittleren Bremsweg r B zurücklegen, bzw. das Fermialter τ = 1 6 < r2 B > erreichen. Ist die Quelle punktförmig gilt Gl. 7. Sie beschreibt die Anzahl dn der Teilchen pro Sekunde, die eine Kugelschale der Dicke dr und des Radius r erreichen. dn = f(r)dr = 4πr 2 q(r, t)dr = 4πr2 Q 0 (4πτ) 3 2 e r2 4τ dr (7) Dabei ist f(r) die Verteilungsfunktion der betrachteten Neutronen. Diese Gröÿe ist offensichtlich proportional zu q(r, t) r 2 A satt r 2. Trägt man nun A satt gegen r 2 auf, erhält man den qualitativen Verlauf der Verteilungsfunktion f(r) für Neutronen der Energie E=1,4 ev, siehe Abb. 4.1. Die unabgeschirmten Indiumplättchen werden von langsamen und schnellen Neutronen durchdrungen. Die Verteilungfunktion aller Neutronen ist qualitativ durch A satt r 2 gegeben. Dies ist in Abb. 4.2 gezeigt. Die Verteilungsfunktion der thermischen Neutronen erhält man oensichtlich durch Dierenzbildung f therm (r) = A satt,therm r 2 = (A satt A satt) r 2. Gruppe 2-13 - Versuch 10

4 RADIALER NEUTRONENFLUSS IM WASSERBECKEN Abbildung 4.1: Qualitativer Verlauf der Verteilungsfunktion f(r) der schnellen Neutronen Abbildung 4.2: Qualitativer Verlauf der Verteilungsfunktion f(r) aller Neutronen Abbildung 4.3: Qualitativer Verlauf der Verteilungsfunktion f(r) der thermischen Neutronen Gruppe 2-14 - Versuch 10

5 BESTIMMUNG DES FERMIALTERS τ 5 Bestimmung des Fermialters τ Die in Versuchsteil 5 durchgeführte Messung kann zur Bestimmung des Fermialters herangezogen werden. Dazu wird das Fermialter auf drei unterschiedlichen Wegen ermittelt. 5.1 Bestimmung des Fermialters τ aus dem Maximum der Verteilungsfunktion f(r) Oensichtlich hat die Funktion f(r) nach Gl.7 an der Stelle R = 4τ ihr Maximum. Das gilt natürlich ebenfalls für die Funktion c f(r). Das Maximum R kann demnach in in Abb. 4.3 zu R = 12cm ± 1cm abgelesen werden. Danach ergibt sich das Fermialter τ τ = R2 4 = 36cm ± 6cm 5.2 Bestimmung des Fermialters τ aus dem mittleren quadratischen Abstand r 2 B Für das Fermialter τ und mittleren quadratischen Abstand r 2 B gilt der Zusammenhang: Für den mittleren quadratischen Abstand < r 2 B > gilt: < r 2 B > < r 2 B >= 6τ (8) r 2 q(r, t)dv q(r, t)dv r 4 q(r, t)dr r 2 q(r, t)dr A2 A1 Zur Bestimmung des mittleren Abstands r B muss also A satt,therm r 2 und A satt,therm r 4 gebildet werden. An diese Messdaten werden Ausgleichskurven angelegt. Diese Kurven werden im Intervall von 7 bis 21 cm integriert. Dieses Vorgehen ist in den Abb. 5.1 und 5.2 veranschaulicht. (9) Abbildung 5.1: Integration r 4 q(r, t)dr Abbildung 5.2: Integration intr 2 q(r, t)dr Gruppe 2-15 - Versuch 10

5 BESTIMMUNG DES FERMIALTERS τ Die Flächeninhalte ergeben sich demnach zu A 1 = 11, 839 10 6 cm3 s und A 2 = 2, 5610 9 cm5 s. Damit ergibt sich das mittlere Abstandsquadrat < rb 2 > zu < r2 b >= 217cm2 Danach wird das Fermialter mit dieser Methode gmäÿ Gl.8 bestimmt. τ = r2 B 6 = 36cm 5.3 Bestimmung des Fermialters τ mittels linearer Regression Es ist bekannt, dass Q 0 A satt,therm = cq(r, t) = c (4πτ) 3 2 e r2 4τ Trägt man also die logarithmisierte Sättigungaktivität der langsamen Neutronen ln(a satt,therm sec) gegen das Abstandsquadrat r 2 auf, erhält man eine Gerade mit Steigung p 0 = 1 4τ. Abbildung 5.3: Linerare Regression Das χ 2 / Freiheitsgrad von 0,5 zeigt, dass die in die Regression eingehenden Fehler vernünftig eingeschätzt sind. Auf A satt wurden die in Tabelle 4.1 aufgelisteten Fehler verwendet. Auf die Abstandsmessung wird ein Fehler von 1 cm angenommen. Nach dieser Methode errechnet sich das Fermilater τ zu τ = 54, 27cm ± 18cm. Gruppe 2-16 - Versuch 10

6 FAZIT 6 Fazit Der Literaturwert für das Fermialter thermischer Neutronen beträgt τ = 33cm 2. Die Methode 1 liefert τ = 36cm ± 6cm und liegt somit innerhalb einer Standardabweichung zum Literaturwert. Methode 2 liefert ebenfalls ein Ergebnis von τ = 36cm 2, hat jedoch den Nachteil dass kein Fehler auf die Gröÿe angegeben werden kann. Die dritte Methode, die lineare Regression, liefert τ = 54cm und liegt knapp auÿerhalb 1 Standardabweichungen zum Literaturwert. Mit Methode 3 kann das Fermialter oensichtlich nicht präzise bestimmt werden. Methode 1 erscheint uns zur Bestimmung des Fermialters am Besten geeignet. Im Rahmen der Messgenauigkeit können wir das Fermialter wassermoderierter thermischer Neutronen von τ = 33cm 2 bestätigen. Gruppe 2-17 - Versuch 10